空間站任務規劃系統管理研究

陳狀 韓樾夏 胡雨欣 張偉

空間站因其近地軌道位置以及長時間處于微重力、強劑量輻射的獨特環境，被多國視為太空實驗室，研究價值得到廣泛認可。早在1984年，美國就希望與其他國家合作建立一個“永久性空間站”。在1990年代俄羅斯加盟后，國際空間站計劃正式啟動。1998年，曙光號功能貨艙發射成功，標志國際空間站正式開始建設。直至2011年，所有艙段和設備組裝完成，國際空間站進入運營階段。

雖然國際空間站建設周期長、投入巨大，但是獲得的科研成果豐碩。開展的實驗項目涉及生物學與生物技術、技術開發與驗證、教育活動與推廣、人體研究、物理科學、地球與空間科學等六大研究領域數十個研究方向[1-2]。截至2021年11月，國際空間站科研活動已經產出2377份科學成果出版物。

任務規劃系統是供任務規劃者參考使用的規劃工具，科研活動的順利執行與其密切相關?？臻g站的任務規劃受時間需求、設備功率、設備支持能力、上下行能力、航天員工時等復雜約束條件的限制。上行實驗項目耗費的資金、有效載荷資源、運載能力資源等都非常寶貴，項目培育也會耗費大量的資金和資源，因此任務規劃是一項極其重要的工作。

美國國家航空航天局任務規劃發展脈絡

美國國家航空航天局（NASA）任務規劃系統合理規劃各項應用資源，保障航天器的穩定運營，解決了阿波羅登月工程、天空實驗室工程、航天飛機工程、國際空間站工程等不同階段面臨的實際難題。

阿波羅登月工程階段的任務規劃屬于短周期、集中式。該計劃使用月球軌道交匯法，解決了飛行步驟復雜、步驟精確度要求高的難題。集中式規劃使得規劃者能夠訪問有關運營任務的所有信息、任務發起人的目標和優先級，以及可能影響運營計劃的所有約束，保證登月計劃順利進行。

天空實驗室工程階段的任務規劃屬于長周期、分布式。工程的每個載人航天任務通常持續數十天，而在任務開展之前均會制定一份完整詳細的計劃。計劃每12小時修訂一次，任務期間24小時輪班工作。這樣的規劃方式有著極好的科學回報，但存在勞動強度極大、難以長期操作的弊端。

航天飛機工程階段既有集中式的飛行任務，也有航天飛機與“和平號”空間站的聯合飛行任務。這一階段進行的太空實驗室工程的任務規劃回歸阿波羅工程階段的短周期，產生了PLAN-IT、SLS-PLAN-IT、PLAN-IT-2等大量的規劃工具，降低了規劃工作的難度。PLAN-IT是噴氣推進實驗室開發了四年、基于人工智能的交互式圖形時間軸編輯器。SLS-PLAN-IT是用于支持空間實驗室生命科學任務-Ⅰ（SLS-Ⅰ）期間的實時反應式調度任務軟件。PLAN-IT-2對PLAN-IT做了進一步改進，考慮了太空實驗室多個規劃層次的資源約束，可隨著任務目標和需求的變化，適應相應的規則和策略。

國際空間站的主要成員國各自開發了任務規劃系統，其中當屬美國開發的任務規劃系統最多。如集成規劃系統（integrated planning system， IPS）用于規劃航天飛機任務和國際空間站任務，統一規劃系統（consolidated planning system， CPS）是其核心子系統[3]；載荷規劃系統（payload planning system， PPS）由馬歇爾飛行中心開發，主要是對有效載荷進行規劃[4]；站載短期計劃查看器（on-board short term plan viewer， OSTPV）適用于查看短期計劃，并允許對計劃進行有限的規劃[5]；運營規劃時間軸集成系統（operations planning timeline integration system， OPTIMIS）利用技術改進和簡化任務規劃[6]；Playbook是一款專為航天員設計的計劃執行工具，具有約束檢查和違規可視化的協作自調度、完整活動執行狀態查看、任務列表查看等功能[7]。

國際空間站任務規劃發展階段

隨著任務需求的多樣化、規劃技術的進步，國際空間站的任務規劃系統也不斷創新和迭代。根據系統更替的大事件，國際空間站任務規劃的發展分為多層遞階規劃、一體化協同和自調度三個階段。由于航天工程復雜性極高，任務規劃系統都有預研階段，且系統更替過程中存在逐步迭代，因此各階段在時間上會有重合。

多層遞階規劃階段（1980年代—2015年）

在多層遞階規劃階段，復雜的空間站規劃被分解為不同顆粒度（granularity）的規劃子問題。每個子問題產生的解均作為下一個子問題的輸入，逐步分解，形成遞階結構。需要指出的是，NASA將空間站規劃劃分為戰略規劃、戰術規劃、任務級規劃、執行級規劃四個層次，并將其確定為基線（baseline）。

集成規劃系統和載荷規劃系統主要針對任務級規劃層級，其分布格局在天空實驗室工程階段形成。集成規劃系統主要用于規劃飛行任務、后勤維護、資源管理等，載荷規劃系統主要用于規劃有效載荷。各國開發的各種規劃系統都使用集成規劃系統進行集成整合，詳細計劃國際空間站在軌活動，生成和分析地面活動、在軌活動的時間和安排，實施多項資源編排。站載短期計劃查看器針對執行級規劃層級，是有一定規劃功能的任務查看器。任務級規劃由集成規劃系統生成，再細分為執行級規劃加載到站載短期計劃查看器。

集成規劃系統屬于交互式任務規劃與資源管理系統，其研發工作早在1980年代就已啟動。該系統根據任務需求與約束進行任務規劃，功能包括任務規劃、資源調度、約束檢測等，主要用于飛行任務規劃、平臺規劃和規劃集成，能夠開發針對整個增量期間的精確到某天的計劃、一周內將執行任務的綜合計劃、三天任務的綜合計劃等。它可為各國同時處理時間線，集成各國規劃方案，發展出時間線分離與集成法。

載荷規劃系統從2006年開始啟用，是專門為滿足空間站分布用戶的有效載荷規劃需求而設計的規劃系統。其采用資源分層法和資源包絡法以適應多層遞階結構的特點。資源分層法使得規劃者了解每一級的所有資源請求，從而確保資源的合理分配，更好滿足規劃需求[8]。資源包絡法是將未被占用的設備負載能力、功率等資源打包成多個資源包絡，靈活分配給有需要的運營任務，能夠有效銜接有效載荷規劃從各個規劃中心到總體的集成過程，協助統一規劃系統進行系統整體層面的規劃。

站載短期計劃查看器于2007年發布了最終版本。它起初是為了方便檢測數據傳輸活動是否違反國際空間站的S波段約束，后來逐漸演化成為航天員和地面控制人員用來查看和操作國際空間站短期計劃的工具。站載短期計劃查看器的輸出界面是遞階規劃的最后一步，展示任務的開始時間、持續時間以及資源分配與使用方案。航天員可通過它查看當前的短期計劃，包括任務甘特圖、空間站軌道相關信息、通信覆蓋范圍和航天員執行任務相關信息等。

多層遞階規劃是國際空間站得以成功運營的重要基礎，影響深遠，后續的空間站規劃研究都是在此基礎上的延伸與改進。

一體化協同階段（2012年—）

一體化協同階段在多層遞階規劃階段的基礎上，進一步加強各規劃層次間的聯系，簡化跨系統平臺的規劃集成。此階段涉及的運營規劃時間軸集成系統由約翰遜空間中心與艾姆斯研究中心共同開發。它是利用技術升級和協同簡化的規劃系統，主要包括Score、規劃存儲庫、WebAD、OPTIMIS Viewer等組件。運營規劃時間軸集成系統在集成規劃系統的結構基礎上進行了進一步升級完善，其各子系統基本與多層遞階規劃階段的各子系統對應，技術上完成了迭代升級，比起前一階段有了較大提升：無需多個規劃系統的跨平臺操作，將多個不同的規劃工具整合到一個規劃系統和流程中。

自調度階段（2016年—）

隨著太空探索的深入，空間任務愈加復雜，目前，任務控制中心無法對不確定性任務變更、環境影響等突發情況進行實時快速的響應。航天員在長期探索任務（long-duration exploration missions， LDEM）中比在近地軌道飛行任務中需要進行更多自調度權限進而實現任務。

NASA由此提出航天員自調度的運營概念，以應對長期太空探索會出現的響應不及時問題。具體內容為，航天員借助規劃系統和軟件自行安排時間表，規劃中心從地面轉移到航天器中，規劃者由地面的計劃員轉為航天員。未來，機組人員需要在不違反資源可用性、任務順序等約束條件下，僅靠自身重新安排時間表。Playbook在此背景下由NASA設計開發，這是一種自調度軟件的應用，應被視為人類長期太空探索的一項科學實驗。

任務規劃系統管理理念

“系統工程”是組織管理“系統”的規劃、研究、設計、制造、試驗和使用的科學方法。NASA 系統工程體系始建于1980年代后期。挑戰者號航天飛機失事后，NASA認識到每一項航天計劃和項目都是一項復雜的系統工程，于是開始著手全面構建航天系統工程的過程與要求的規章和標準，并在后續工作中不斷完善。

結構分解

系統工程將系統作為一個整體進行分析，厘清總體中各部分之間的相互聯系和相互制約關系，并使這些部分服從整體優化要求。NASA系統設計的基本步驟[9]如下：第一，考慮初步概念方案和關鍵系統，確定任務需求。第二，建立邏輯分解模型/圖表，將需求轉變為視圖并顯示它們的關系。第三，將子組件視為一個獨立產品，考慮新需求和派生需求，進一步向下分解，分解形成子組件后重復，直至最底層。

以國際空間站規劃系統為例，它的集成規劃系統不僅負責規劃集成，還負責飛行任務規劃和平臺規劃，因此，包括了統一規劃系統、統一維護后勤規劃工具、飛行動力學規劃與分析工具、飛行程序開發與控制工具、資源利用規劃與系統模型工具以及機器人規劃設備等。國際空間站規劃系統不斷向下分解，各個系統分解成子系統，彼此之間緊密聯系，相應功能不斷完善，共同構成一個完整的規劃系統。

整體與局部協調

系統工程在分析局部問題時，是從整體的需要出發來尋求問題的解決方法。NASA在進行多個規劃方案的集成時，考慮了系統工程的管理理念，規劃系統中產生了多種方法進行規劃的集成。

以有效載荷規劃為例，先由載荷規劃系統對實驗任務進行規劃，選用資源分層法和資源包絡法進行分布式規劃。資源分層法使需求自下而上層層傳遞，規劃者只需針對結構的每個級別分別進行規劃。布什（J. L. Bush）等[10]在1987年為國際空間站研發的資源包絡法能夠協調不同級別的有效載荷任務并分別進行規劃。

在載荷規劃系統完成載荷規劃后，國際空間站還需要通過統一規劃系統對包括載荷規劃在內的多項活動進行編排。為協調規劃系統整體與局部的關系，統一規劃系統采用了一種合并時間線數據的方法——時間線分離與集成法。時間線分離用于創建時間線的子集，以便多個用戶同時處理同一時間線。子集創建后，用戶可對任一時間線進行更新，然后使用時間線集成將更新合并至主時間線。

應對需求變化

系統開發的一般流程是首先確定規劃需求，再對規劃需求進行分解，從而設計不同系統與子系統以實現相應的功能。然而，在系統開發的概念研究項目階段到初步設計項目階段之間的進一步權衡研究和分析，可能會導致需求發生變化。NASA開發團隊運用系統工程方法，設計出增量開發法以適應不斷變化的用戶需求[11]。增量開發法能夠滿足不斷變化的需求，應對系統的外部變化，使得整個系統處于不斷改善的狀態。

它在添加新功能時，將新功能作為核心功能的附加部分進行迭代。整個流程形成閉環：將新增的需求再次分解，設計出相應的子系統以滿足要求，之后再次判斷需求是否變化，直至需求不再變動，最終形成基線。同時，NASA還要求所有變更必須進行評估，以確定其對各層次需求的影響。

若干啟示

當前，中國空間站正處于建成運營初期，任務規劃系統需進一步搭建。國際空間站任務規劃系統的設計經驗則可為中國建立系統、全面、高效的空間站任務規劃系統提供重要參考。

注重系統性思維，加強頂層設計 加強空間站任務規劃頂層設計，在操作方面，有助于形成結構清晰、層次清楚的規劃系統，極大簡化操作流程，顯著提升規劃效率；在協調方面，有助于分析多個層級任務之間的相互作用關系和制約關系，提高資源利用效益。

全面考慮規劃要素，提供連續性規劃方案 充分考慮各類規劃要素，分析各個要素的屬性，以生成全面的規劃方案，從而有助于實現空間站的復雜約束，提升方案可行性。通過檢驗規劃周期內各離散時間段的開始時間和結束時間，實現連續規劃，有助于保證短期任務規劃和總體任務規劃方案的連續性，增強對系統外部變化的適應性。

明確任務先后關系，提升規劃效率 規劃效率是保證空間站各項任務高效開展的又一重點。中國空間站任務規劃系統設計應分析各項任務的關鍵信息，明確任務的先后關系，并滿足任務開始時刻與結束時刻的約束，從而大幅減少計算量，突破計算速度的限制。

未來，中國空間站任務規劃系統的設計應滿足任務規劃的需求，符合空間站實際情況，從全局層面考慮多層次任務的協調規劃問題，加強對規劃要素、規劃時期的全面分析，有效梳理各項任務的執行順序，生成高效、可行的任務規劃方案，提升空間站運營效率。

[1] THUMM T L， ROBINSON J A， BUCKLEY N， et al. International Space Station benefits for humanity//The 63rd International Astronautical Congress（IAC2012）. Naples： IAF， 2012：3780-3789.

[2]韓淋，王海名，范唯唯，等. 2020年國際空間站科研與應用進展.載人航天， 2021， 27（4）： 530-536.

[3]POPOV A. Mission planning on the International Space Station program， concepts and systems//IEEE Aerospace Conference. Piscataway： IEEE， 2003： 3427-3434.

[4]HAGOPIAN J， HOWELL E. Architecture for Payload Planning System （PPS） software distribution//Space Programs and Technologies Conference. Huntsville： AIAA， 1995： 1-6.

[5]FRANK J， MORRIS P H， GREENE J， et al. The challenge of evolving mission operations tools for manned spaceflight//The International Symposium on Artificial Intelligence， Robotics and Automation in Space. Los Angeles： IEEE， 2008： 1-9.

[6]SMITH E E， KORSMEYER D J， HALL V. Exploration technologies for operations]//SpaceOps 2014 Conference. Pasadena： AIAA， 2014： 1-10.

[7]MARQUEZ J J， HILLENIUS S， HEALY M. Increasing human spaceflight capabilities： Demonstration of crew autonomy through self-scheduling onboard International Space Station//International Space Station Research & Development Conference. San Francisco： NASA， 2018： 1-22.

[8]HAGOPIAN J， MAXWELL T， REED T. A distributed planning concept for space station payload operations// The 3rd International Symposium on Space Mission Operations and Ground Data Systems. Greenbelt： NASA， 1994： 287-294.

[9]HIRSHORN S R， VOSS L D， BROMLEY L K. NASA systems engineering handbook. Washington， D.C.： NASA Headquarters， 2017.

[10]BUSH J L， CRITCHFIELD A， LOOMIS A. Space station Platform Management System （PMS） replanning using resource envelopes//1987 Goddard Conference on Space Applications of Artificial Intelligence（AI） and Robotics. Greenbelt： NASA Goddard Space Flight Center， 1987： 1-17.

[11]SAINT R. Lessons learned in developing an international planning software system//SpaceOps 2002 Conference. Houston： American Institute of Aeronautics and Astronautics， 2002： 1-10.

關鍵詞：空間站 任務規劃 規劃系統 系統工程 系統設計 ■